基于CFD的汽车液力变矩器输出功率测试系统设计
李小平 赵汝和
关键词： CFD; 液力变矩器; 输出功率; 测试; 变压; 叶轮
中图分类号： TN710?34; U163.22 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号： 1004?373X（2019）03?0168?05
Abstract： Since the traditional output power testing system of vehicle hydraulic torque converter has poor test effect due to the influence of errors， the design of CFD?based output power testing system of vehicle torque converter is proposed. According to the hardware block diagram of the system， the microcontroller STC15F2K60S2 is used as the main internal integration chip to provide service for system testing. The voltage converter chip LM2596 is used to design the voltage converter module of output power， and the technical indexes are set according to the module. The amplifier MAX4070 is adopted to design the interface circuit to improve the error of the system test. According to the software flow， each impeller inside the hydraulic torque converter is divided， and the CFD calculation method is used to solve the independent equation of each iteration process， and the system software is designed. The experimental results show that the test results of the system can reach up to 85%， and the system can promote the development of vehicle hydraulic torque converter.
Keywords： CFD; hydraulic torque converter; output power; test; variable voltage; impeller0 ?引 ?言
汽車液力变矩器广泛应用于工程领域之中，其性能的好坏直接影响工程整体性能和使用周期。随着工程机械整体性能要求越来越严格，针对汽车液力变矩器输出功率测试系统设计工作，常用方法是近似的，需要经过实验进行验证分析，进而判断系统设计是否具有可靠性和经济性，根据实验内容找到相应薄弱环节，作为改进系统设计的依据。相对于国内外液力变矩器的研究，国内液力变矩器开发水平与国外存在一定差距，但是近几年，随着国内对汽车行业的高度重视，许多厂家开始对液力变矩器进行研究[1]。
由于计算流体力学CFD技术不断完善，需采用CFD技术来测试液力变矩器的性能，该环节在很大程度上缩短了液力变矩器的输出功率测试周期[2]。虽然采用传统方法对液力变矩器的研究逐年增加，但是大多集中在液力变矩器应用范围方面，对于其输出功率的研究相对较少。基于此，本文提出基于CFD的汽车液力变矩器输出功率测试系统设计，以液力变矩器为重点研究对象，结合CFD数值对液力变矩器输出功率进行分析。1 ?输出功率测试系统设计
汽车液力变矩器输出功率测试系统在生产中被广泛应用，实际液力变矩器内场属于复杂的三维流动形式，在不同叶轮出口处存在强烈回流现象，叶片曲率变化较大，并易脱流[3]。由于其复杂性，大部分流动现象的形成还未被清楚认知，因此，针对液力变矩器内部流动特征分析如下所示：
1） 液力变矩器的液流等效集中在一条叶片上进行设计，并在基线范围内流动;
2） 在液力变矩器叶轮出口处，其流动情况和进口处流动情况并无直接关系;
3） 在后续叶轮工作中，液体流动状况与前一工作叶轮出口处的流动状况是一致的[4]。
1.1 ?系统硬件设计
系统硬件结构框图设计如图1所示。
如图1所示的硬件结构包括功率测量模块、单片机模块、变压模块、显示模块和接口模块。液力变矩器输出功率测试系统是以单片机为核心进行设计的，采用变压芯片进行电压交换，使用采样电阻与转换器完成功率的测量，通过显示屏显示测试结果[5]。
1.1.1 ?单片机模块
采用某科技公司生产的STC15F2K60S2型号的单片机，该单片机是一种高速、低功耗的单片机，内部集成具有高精度时钟和复位电路，可省去外部电路的设计[6]。该单片机内部集成了一个8路的10位A/D转换器，主要用于系统输出功率的测试。
1.1.2 ?变压模块
采用LM2596型号的变压芯片，具有电流输出降压开关稳定控制功能，其内部含有150 kHz的固定频率振荡器和1.5 V的稳压器，具有电路保护、电流限制等功能[7]。该芯片外围电路连接较为简单，只需要4个外围元件就可完成基本电路的连接。
输出功率系统变压模块设计如图2所示。
根据图2可对系统输出功率变压模块设计技术指标，硬件各个器件参数取值如下：[C1]为650 μF电解电容，[C2]为450 μF电解电容，D为SK54二极管，[L]为30 mH的电感[8]。
由于模拟电路受到电路板元器件影响，因此，在设计时应注意：由于电流开关与电感联系密切，电感所产生的电压往往是短暂的，因此，要使感应最小，应形成地线回路，此时D应与LM2596引脚相连接，[C2]与[L]，[C1]与LM2596之间的PCB控制板连线应选择宽一些的，并且尽可能地短，[C1]，[C2]，D和[L]这4个元件要尽可能靠近LM2596[9]。
1.1.3 ?接口模塊
采用MAX4070型号的放大器对系统输出功率进行检测，其性能良好，适用范围较广，该芯片输入电压可达到25 V，与电源电压并无直接关系，供电电流也小于100 μA，总输出误差[10]小于2%。
接口模块电路设计如图3所示。
图3中，[R]为接口检流电阻，放大器引脚6与单片机中的A/D转换器相连接，而引脚3与系统负载模块相连接[11]。
采用STC15F2K60S2型号的单片机，在内部集成了一个8路的10位A/D转换器，为系统测试提供服务;采用LM2596型号的变压芯片，具有电路保护、电流限制等功能;采用MAX4070型号的放大器对系统输出功率进行检测，可降低检测出现的误差，由此完成系统硬件部分的设计。
1.2 ?基于CFD的系统软件功能设计
采用面向对象的CFD设计方法对多个窗口进行设计，实现系统测试的可视化[12]。液力变矩器性能是基于数据采集、转矩测试、温度和压力变送器等外围设备进行测试的，并由动态数据库完成底层I/O驱动的设计。
系统功能软件设计流程如图4所示。
在CFD计算过程中，应将各个叶轮进行划分，针对不同叶轮流道计算相应旋转坐标系，并对每一次迭代过程中的独立方程进行求解。
2 ?实 ?验
为了验证基于CFD汽车液力变矩器输出功率测试系统设计的合理性，进行如下实验分析。
2.1 ?实验条件设置
针对液力变矩器输出功率测试最有效的方法是直接测试输出速率，但由于受到结构限制，叶轮机械测量并未取得良好结果，而采用CFD技术可准确获取液力变矩器输出的各种信息。
液力变矩器中叶轮分别以不同转速旋转，导轮则处于相对坐标系静止状态。将液力变矩器流场信息沿着周边取平均值后，按照相应连接状态计算边界条件，便于不同计算区域界面的完全贴合，液力变矩器CFD分析模型如图5所示。
根据液力变矩器CFD分析模型，采用周向平均法计算不同区域流场特征，保证在交界面上的流量、动量矩物理量的一致性。
根据上述设计的实验条件，分析汽车发动机与液力变矩器共同输入的特性，如图6所示。
由图6可知：当油门开度为20%时，汽车扭转度最大为150 N/m;当油门开度为40%时，汽车扭转度为160 N/m左右;当油门开度为100%时，汽车扭转度最大为190 N/m。即不同油门开度所对应的汽车发动机扭矩程度也不同。
2.2 ?实验结果与分析
根据上述实验条件，将传统系统与基于CFD测试系统进行对比分析，以此作为系统合理性设计的实验结果。针对系统参数的获取，主要是保持界面上各个物理量的一致，通过CFD分析可准确预测液力变矩器在不同转速下的性能，进而保证系统对输出功率测试的准确性。
将传统计算值与实验值进行对比，结果如图7所示。
由图7可知：当转速比为0.2时，传统计算值比实验值的输出效率要高，而传统计算值的转矩系数相对较低;当转速比为0.4时，实验值比传统计算值的输出效率要高，并且实验值的转矩系数也相对较高;当转速比为0.8时，实验值与传统计算值的转矩系数一致，而输出效率相对较低。
将CFD计算值与实验值进行对比，结果如图8所示。
由圖8可知：当转速比为0.2时，实验值与CFD计算值的输出效率结果一致，而CFD计算值的转矩系数相对较高;当转速比为0.6时，实验值与CFD计算值的转矩系数结果一致，而实验值的输出效率相对较高;当转速比为0.8时，实验值输出效率比CFD计算值输出效率结果高，而实验值的转矩系数比CFD计算值低。
针对上述对比分析可知，CFD计算值与实验值更为贴近。分别将传统系统与基于CFD设计系统对液力变矩器输出功率测试效果进行对比，结果如图9所示。
由图9可知：两种系统最初测试效率为80%，当实验次数为2时，传统系统测试效率为58%，而基于CFD系统测试效率为63%;当实验次数为6时，传统系统测试效率为39%，而基于CFD系统测试效率为71%;当实验次数为10时，传统系统测试效率为28%，而基于CFD系统测试效率为82%;当实验次数为12时，传统系统测试效率为18%，而基于CFD系统测试效率为83%。由此可知，采用CFD方法设计系统对液力变矩器输出功率测试效果更好。
根据上述对比结果可知：两种系统最初测试效率都可达到80%，当实验次数分别为2，6，10，12时，基于CFD系统测试效率比传统系统测试效率分别高5%，32%，54%，65%。由此可知基于CFD汽车液力变矩器输出功率测试系统设计具有合理性。3 ?结 ?语
运用CFD计算结果分析液力变矩器性能，可准确获得液力变矩器输出功率的详细数据，进而分析各个叶轮功率损失情况，确定液力损失最终数据，为传统方法的改进提供了有效依据。
虽然采用CFD计算方法设计的系统具有较高的测试效率，但是针对系统稳定运行还有待考察。因此，在以后研究过程中将系统稳定性作为一项指标对其展开详细分析。
参考文献
[1] 单丰武.基于CFD的汽车液力变矩器泵体内部流场研究[J].机械设计与制造工程，2017，46（10）：93?96.
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[2] 石祥钟，孟燕，赵文鲁，等.基于CFD的双涡轮液力变矩器的改进研究[J].液压与气动，2016（5）：37?41.
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[3] 惠记庄，郑恒玉，杨永奎，等.基于三维流场数值解的钣金型液力变矩器轴向力计算[J].中国公路学报，2016，29（4）：145?152.
HUI Jizhuang， ZHENG Hengyu， YANG Yongkui， et al. Axial force calculation of sheet?metal?type hydraulic torque converter based on numerical solution of 3D flow field [J]. China journal of highway and transport， 2016， 29（4）： 145?152.
[4] 王玉岭，闫清东，李晋，等.基于CFD的液力变矩器内部流场分布特征研究[J].液压与气动，2015（7）：36?40.
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[5] 刘树成，闫清东，邢庆坤.车用大功率柴油机与液力变矩器动态匹配影响因素分析[J].兵工学报，2016，37（3）：385?393.
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[6] 庞茂，吴瑞明，杨礼康.电封闭式液力变矩器试验机开发及性能试验分析[J].组合机床与自动化加工技术，2016，25 （1）：71?73.
PANG Mao， WU Ruiming， YANG Likang. Development and test of electrical?closed test bed for hydraulic torque convert [J]. Modular machine tool & automatic manufacturing technique， 2016， 25（1）： 71?73.
[7] 洪碧光，王鹏晖，张秀凤，等.基于CFD的无压载水船型浅水中岸壁效应数值模拟[J].船海工程，2017，46（2）：6?11.
HONG Biguang， WANG Penghui， ZHANG Xiufeng， et al. Numerical simulation of wall effect for ballast?free ship in shallow water based on CFD [J]. Ship & ocean engineering， 2017， 46（2）： 6?11.
[8] 柏德鸿，宗原，赵玲.基于CFD的强化裂解炉管设计[J].化工学报，2017，68（2）：660?669.
BAI Dehong， ZONG Yuan， ZHAO Ling. Computational fluid dynamics assisted design of cracking coils [J]. CIESC journal， 2017， 68（2）： 660?669.
[9] 彭正虎，赵丽梅，吴怀超，等.基于遗传算法的装载机发动机与液力变矩器匹配优化分析[J].机床与液压，2017，45（11）：126?130.
PENG Zhenghu， ZHAO Limei， WU Huaichao， et al. Based on genetic algorithm loader engine and hydraulic torque converter matching optimization analysis [J]. Machine tool & hydraulics， 2017， 45（11）： 126?130.
[10] 苏华，余志雄.基于CFD的沟槽?织构复合型滑动轴承性能分析[J].润滑与密封，2017，42（7）：19?25.
SU Hua， YU Zhixiong. Computational fluid dynamics analysis of a journal bearing with groove?texture composite structure [J]. Lubrication engineering， 2017， 42（7）： 19?25.
[11] 张海宁，白福.液力变矩器外形参数测量方法研究[J].电子设计工程，2017，25（6）：127?131.
ZHANG Haining， BAI Fu. Research on measuring method of hydraulic torque converter shape parameters [J]. Electronic design engineering， 2017， 25（6）： 127?131.
[12] WANG Yiping， WANG Tao， LI Shuai. Aerodynamic drag reduction of vehicle based on free form deformation [J]. Journal of mechanical engineering， 2017， 53（9）： 135?143.
关键词： CFD; 液力变矩器; 输出功率; 测试; 变压; 叶轮
中图分类号： TN710?34; U163.22 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号： 1004?373X（2019）03?0168?05
Abstract： Since the traditional output power testing system of vehicle hydraulic torque converter has poor test effect due to the influence of errors， the design of CFD?based output power testing system of vehicle torque converter is proposed. According to the hardware block diagram of the system， the microcontroller STC15F2K60S2 is used as the main internal integration chip to provide service for system testing. The voltage converter chip LM2596 is used to design the voltage converter module of output power， and the technical indexes are set according to the module. The amplifier MAX4070 is adopted to design the interface circuit to improve the error of the system test. According to the software flow， each impeller inside the hydraulic torque converter is divided， and the CFD calculation method is used to solve the independent equation of each iteration process， and the system software is designed. The experimental results show that the test results of the system can reach up to 85%， and the system can promote the development of vehicle hydraulic torque converter.
Keywords： CFD; hydraulic torque converter; output power; test; variable voltage; impeller0 ?引 ?言
汽車液力变矩器广泛应用于工程领域之中，其性能的好坏直接影响工程整体性能和使用周期。随着工程机械整体性能要求越来越严格，针对汽车液力变矩器输出功率测试系统设计工作，常用方法是近似的，需要经过实验进行验证分析，进而判断系统设计是否具有可靠性和经济性，根据实验内容找到相应薄弱环节，作为改进系统设计的依据。相对于国内外液力变矩器的研究，国内液力变矩器开发水平与国外存在一定差距，但是近几年，随着国内对汽车行业的高度重视，许多厂家开始对液力变矩器进行研究[1]。
由于计算流体力学CFD技术不断完善，需采用CFD技术来测试液力变矩器的性能，该环节在很大程度上缩短了液力变矩器的输出功率测试周期[2]。虽然采用传统方法对液力变矩器的研究逐年增加，但是大多集中在液力变矩器应用范围方面，对于其输出功率的研究相对较少。基于此，本文提出基于CFD的汽车液力变矩器输出功率测试系统设计，以液力变矩器为重点研究对象，结合CFD数值对液力变矩器输出功率进行分析。1 ?输出功率测试系统设计
汽车液力变矩器输出功率测试系统在生产中被广泛应用，实际液力变矩器内场属于复杂的三维流动形式，在不同叶轮出口处存在强烈回流现象，叶片曲率变化较大，并易脱流[3]。由于其复杂性，大部分流动现象的形成还未被清楚认知，因此，针对液力变矩器内部流动特征分析如下所示：
1） 液力变矩器的液流等效集中在一条叶片上进行设计，并在基线范围内流动;
2） 在液力变矩器叶轮出口处，其流动情况和进口处流动情况并无直接关系;
3） 在后续叶轮工作中，液体流动状况与前一工作叶轮出口处的流动状况是一致的[4]。
1.1 ?系统硬件设计
系统硬件结构框图设计如图1所示。
如图1所示的硬件结构包括功率测量模块、单片机模块、变压模块、显示模块和接口模块。液力变矩器输出功率测试系统是以单片机为核心进行设计的，采用变压芯片进行电压交换，使用采样电阻与转换器完成功率的测量，通过显示屏显示测试结果[5]。1.1.1 ?单片机模块
采用某科技公司生产的STC15F2K60S2型号的单片机，该单片机是一种高速、低功耗的单片机，内部集成具有高精度时钟和复位电路，可省去外部电路的设计[6]。该单片机内部集成了一个8路的10位A/D转换器，主要用于系统输出功率的测试。
1.1.2 ?变压模块
采用LM2596型号的变压芯片，具有电流输出降压开关稳定控制功能，其内部含有150 kHz的固定频率振荡器和1.5 V的稳压器，具有电路保护、电流限制等功能[7]。该芯片外围电路连接较为简单，只需要4个外围元件就可完成基本电路的连接。
输出功率系统变压模块设计如图2所示。
根据图2可对系统输出功率变压模块设计技术指标，硬件各个器件参数取值如下：[C1]为650 μF电解电容，[C2]为450 μF电解电容，D为SK54二极管，[L]为30 mH的电感[8]。
由于模拟电路受到电路板元器件影响，因此，在设计时应注意：由于电流开关与电感联系密切，电感所产生的电压往往是短暂的，因此，要使感应最小，应形成地线回路，此时D应与LM2596引脚相连接，[C2]与[L]，[C1]与LM2596之间的PCB控制板连线应选择宽一些的，并且尽可能地短，[C1]，[C2]，D和[L]这4个元件要尽可能靠近LM2596[9]。
1.1.3 ?接口模塊采用MAX4070型号的放大器对系统输出功率进行检测，其性能良好，适用范围较广，该芯片输入电压可达到25 V，与电源电压并无直接关系，供电电流也小于100 μA，总输出误差[10]小于2%。
接口模块电路设计如图3所示。
图3中，[R]为接口检流电阻，放大器引脚6与单片机中的A/D转换器相连接，而引脚3与系统负载模块相连接[11]。采用STC15F2K60S2型号的单片机，在内部集成了一个8路的10位A/D转换器，为系统测试提供服务;采用LM2596型号的变压芯片，具有电路保护、电流限制等功能;采用MAX4070型号的放大器对系统输出功率进行检测，可降低检测出现的误差，由此完成系统硬件部分的设计。
1.2 ?基于CFD的系统软件功能设计
采用面向对象的CFD设计方法对多个窗口进行设计，实现系统测试的可视化[12]。液力变矩器性能是基于数据采集、转矩测试、温度和压力变送器等外围设备进行测试的，并由动态数据库完成底层I/O驱动的设计。
系统功能软件设计流程如图4所示。
在CFD计算过程中，应将各个叶轮进行划分，针对不同叶轮流道计算相应旋转坐标系，并对每一次迭代过程中的独立方程进行求解。
2 ?实 ?验
为了验证基于CFD汽车液力变矩器输出功率测试系统设计的合理性，进行如下实验分析。
2.1 ?实验条件设置
针对液力变矩器输出功率测试最有效的方法是直接测试输出速率，但由于受到结构限制，叶轮机械测量并未取得良好结果，而采用CFD技术可准确获取液力变矩器输出的各种信息。
液力变矩器中叶轮分别以不同转速旋转，导轮则处于相对坐标系静止状态。将液力变矩器流场信息沿着周边取平均值后，按照相应连接状态计算边界条件，便于不同计算区域界面的完全贴合，液力变矩器CFD分析模型如图5所示。
根据液力变矩器CFD分析模型，采用周向平均法计算不同区域流场特征，保证在交界面上的流量、动量矩物理量的一致性。
根据上述设计的实验条件，分析汽车发动机与液力变矩器共同输入的特性，如图6所示。由图6可知：当油门开度为20%时，汽车扭转度最大为150 N/m;当油门开度为40%时，汽车扭转度为160 N/m左右;当油门开度为100%时，汽车扭转度最大为190 N/m。即不同油门开度所对应的汽车发动机扭矩程度也不同。2.2 ?实验结果与分析
根据上述实验条件，将传统系统与基于CFD测试系统进行对比分析，以此作为系统合理性设计的实验结果。针对系统参数的获取，主要是保持界面上各个物理量的一致，通过CFD分析可准确预测液力变矩器在不同转速下的性能，进而保证系统对输出功率测试的准确性。
将传统计算值与实验值进行对比，结果如图7所示。
由图7可知：当转速比为0.2时，传统计算值比实验值的输出效率要高，而传统计算值的转矩系数相对较低;当转速比为0.4时，实验值比传统计算值的输出效率要高，并且实验值的转矩系数也相对较高;当转速比为0.8时，实验值与传统计算值的转矩系数一致，而输出效率相对较低。
将CFD计算值与实验值进行对比，结果如图8所示。由圖8可知：当转速比为0.2时，实验值与CFD计算值的输出效率结果一致，而CFD计算值的转矩系数相对较高;当转速比为0.6时，实验值与CFD计算值的转矩系数结果一致，而实验值的输出效率相对较高;当转速比为0.8时，实验值输出效率比CFD计算值输出效率结果高，而实验值的转矩系数比CFD计算值低。针对上述对比分析可知，CFD计算值与实验值更为贴近。分别将传统系统与基于CFD设计系统对液力变矩器输出功率测试效果进行对比，结果如图9所示。
由图9可知：两种系统最初测试效率为80%，当实验次数为2时，传统系统测试效率为58%，而基于CFD系统测试效率为63%;当实验次数为6时，传统系统测试效率为39%，而基于CFD系统测试效率为71%;当实验次数为10时，传统系统测试效率为28%，而基于CFD系统测试效率为82%;当实验次数为12时，传统系统测试效率为18%，而基于CFD系统测试效率为83%。由此可知，采用CFD方法设计系统对液力变矩器输出功率测试效果更好。根据上述对比结果可知：两种系统最初测试效率都可达到80%，当实验次数分别为2，6，10，12时，基于CFD系统测试效率比传统系统测试效率分别高5%，32%，54%，65%。由此可知基于CFD汽车液力变矩器输出功率测试系统设计具有合理性。3 ?结 ?语
运用CFD计算结果分析液力变矩器性能，可准确获得液力变矩器输出功率的详细数据，进而分析各个叶轮功率损失情况，确定液力损失最终数据，为传统方法的改进提供了有效依据。
虽然采用CFD计算方法设计的系统具有较高的测试效率，但是针对系统稳定运行还有待考察。因此，在以后研究过程中将系统稳定性作为一项指标对其展开详细分析。
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